Dans les années à venir, les ordinateurs quantiques et les réseaux quantiques pourraient être en mesure de s'attaquer à des tâches inaccessibles aux systèmes informatiques traditionnels. Par exemple, ils pourraient être utilisés pour simuler une matière complexe ou permettre des communications fondamentalement sécurisées.

Les blocs de construction élémentaires des systèmes d'information quantiques sont appelés qubits. Pour que la technologie quantique devienne une réalité tangible, les chercheurs devront identifier des stratégies pour contrôler de nombreux qubits avec des taux de précision très élevés.

Spins de particules individuelles dans les solides, tels que les électrons et les noyaux se sont récemment révélés très prometteurs pour le développement de réseaux quantiques. Alors que certains chercheurs ont pu démontrer un contrôle élémentaire de ces qubits, jusque là, personne n'a signalé d'états quantiques intriqués contenant plus de trois spins.

Afin d'atteindre la puissance de calcul nécessaire pour accomplir des tâches complexes, les registres quantiques devraient être significativement plus grands que ceux réalisés jusqu'à présent. Cependant, le contrôle de spins individuels dans des systèmes quantiques complexes et fortement interactifs s'est jusqu'à présent avéré très difficile.

Récemment, une équipe de chercheurs de la TU Delft et d'Element Six a démontré avec succès un registre de spin à dix qubits entièrement contrôlable avec une mémoire quantique allant jusqu'à une minute. Leurs découvertes, présenté dans un article publié dans Examen physique X , pourrait ouvrir la voie au développement de registres quantiques plus grands et pourtant contrôlables, ouvrant finalement de nouvelles possibilités passionnantes pour l'informatique quantique.

"L'objectif principal de notre étude était de réaliser un système contrôlé avec précision d'une grande quantité de qubits en utilisant les spins d'atomes noyés dans un diamant, " Tim Taminiau, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "Ces spins sont des bits quantiques prometteurs pour le calcul quantique et les réseaux quantiques, mais les résultats précédents étaient limités à quelques qubits. Le principal défi ouvert est que, d'une part, tous les spins du système doivent être couplés pour fonctionner comme un seul processeur quantique, mais d'autre part, cela rend difficile leur contrôle sélectif avec une grande précision."

Taminiau et ses collègues ont développé avec succès une méthode entièrement nouvelle pour contrôler plusieurs qubits. Cette technique utilise un qubit de spin électronique pour contrôler sélectivement de nombreux qubits de spin nucléaire individuels, tout en les découplant et en les protégeant ainsi des interactions indésirables dans le système.

En utilisant leur méthode, les chercheurs ont pu contrôler un nombre de rotations considérablement plus important que les études précédentes, avec une précision remarquablement élevée. Ils ont appliqué leur technique à un système composé de 10 spins associés à un centre de lacune d'azote (NV) dans le diamant. Ce centre NV a un spin électronique fournissant un qubit qui peut être lu optiquement (c'est-à-dire que l'on peut déterminer sa valeur) et qui peut être contrôlé avec des impulsions micro-ondes.

"Ce spin d'électrons se couple aux spins nucléaires dans l'environnement, " Conor Bradley, un doctorat étudiant et auteur principal de l'étude, expliqué. "L'un de ces spins nucléaires est le spin nucléaire intrinsèque de l'azote du NV. Les 8 qubits supplémentaires sont des spins nucléaires du carbone-13 entourant le NV. Naturellement, environ 1,1% des atomes de carbone du diamant sont du carbone-13 et ont un spin, c'est-à-dire qu'ils peuvent être utilisés comme qubit, les autres atomes de carbone sont du carbone 12 et ne portent pas de spin."

Bien que les chercheurs aient appliqué leur méthode à un système spécifique de 10 qubits, ils pensent qu'il pourrait également être mis en œuvre sur d'autres systèmes, y compris d'autres centres de défauts dans le diamant et le carbure de silicium, points quantiques et donneurs dans le silicium. Les qubits hébergés par ces autres systèmes ont chacun leurs propres atouts pour effectuer une variété de tâches complexes.

"La principale réalisation de notre étude est un système quantique à 10 spins-qubits qui peut stocker des informations quantiques pendant de très longues périodes jusqu'à 75 secondes, " a déclaré Taminiau. "Bien que d'autres chercheurs aient pu obtenir des résultats similaires avec des ions piégés dans le vide, cette combinaison de nombreux qubits, Un contrôle précis et une mémoire quantique à longue durée de vie sont uniques pour les bits quantiques basés sur des puces."

Le système démontré par Taminiau et ses collègues pourrait être un élément clé pour les grands réseaux quantiques dans lesquels plusieurs centres NV, chacun fournissant plusieurs qubits, sont connectés ensemble optiquement. Cette capacité particulière a déjà été décrite et montrée par les chercheurs dans une étude précédente.

"Outre l'importance de cette étude en tant que démonstration vers de plus grands systèmes d'information quantique, ce travail fournit également de nouvelles informations sur la décohérence - la perte d'information quantique - pour les spins dans les solides, " a déclaré Taminiau.

Les résultats rassemblés par cette équipe de chercheurs mettent en évidence la faisabilité d'étudier comment les états intriqués de plusieurs qubits de spin se décohère, ainsi que la façon dont les corrélations dans l'environnement sonore peuvent jouer un rôle vital dans ce processus. La méthode qu'ils ont développée ouvre également de nouvelles possibilités pour la détection quantique et l'imagerie à l'échelle atomique de spins individuels, où le but n'est pas de contrôler les vrilles mais plutôt de les détecter, afin de recueillir des informations sur des échantillons intéressants pour des études en chimie, biologie et science des matériaux.

Dans leurs futures recherches, Taminiau et ses collègues prévoient de démontrer une technique appelée correction d'erreur quantique. Ce type particulier de correction d'erreurs pourrait aider à surmonter toutes les imperfections inévitables des systèmes quantiques existants, permettant à terme la création de systèmes quantiques à grande échelle.

"Cela nécessitera de coder des états quantiques sur de nombreux qubits et d'effectuer des mesures minutieuses pour détecter et corriger les erreurs sans perturber les informations codées, " a ajouté Taminiau. " Jusqu'à présent, cela était hors de portée de tout système, mais nos résultats permettent maintenant de poursuivre cela en utilisant des spins en diamant."

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